牛顿流变转变为非牛顿流变行为的教学方法

牛顿流变与非牛顿流变是流体力学的重要分支。本文从基本的流变模式出发,介绍了非牛顿流变的特性与分类,引入并推导非晶合金牛顿流变转变为非牛顿流变行为的力学机制。最后介绍了假塑性流体在工程实际中的应用。本文综合作者近年来对于无序固体高温流变力学行为的研究结果和非牛顿流变力学的教学实践,结合了学生的学习效果,从教学内容和思路逻辑方面进行讨论。文中教学方法可为讲授非牛顿流变力学课程的教师提供借鉴。

     

非牛顿体通用模型线接触弹流润滑的数值分析

基于润滑剂在弹流润滑状态下表现为非牛顿体特性,根据弹流润滑理论,采用一种新的非牛顿体流变模型,建立了适用于非牛顿体的修正Ｒｅｙｎｏｌｄｓ方程,进行了等温弹流润滑的数值计算,并在等温解的基础地温度场分析。数值分析结果表明,由于滑滚比和模型参数对剪应力影响较大,因而在滑滚比和模型参数较大时应进行热弹流计算。通过温度场分析可证明：非牛顿体通过模型可用于等温弹流润滑和热弹流润滑计算。     

非牛顿流体力学研究的若干进展

简要介绍微极性流体,应力偶流体,非整数阶Maxwell流体和智能流体的基本概念,通过简单的例子阐述它们与牛顿流体的本质差别,并介绍非牛顿流体在以上热点研究领域的若干进展．     

非牛顿流体入口收敛流动分析

本文讨论了非牛顿流体的入口收敛流动问题,考虑到粘弹性流体在流动中的粘滑行为,应用最小能原理,导出了扩展的入口收敛流边界流线方程和流体自然收敛锥角方程,并与前人的工作进行了比较和分析。     

粗糙表面滑动轴承非牛顿介质润滑的计算

分析了轴承润滑中非牛顿介质的流变特性以及轴承表面形貌对润滑效果的影响,推导出了修正的雷诺方程,在方程中用差分粘度和第一正应力差函数表征非牛顿介质的流变特性,采用流量因子表征表面形貌的作用.结果表明:差分粘度的变化是影响润滑结果的主要因素,它取决于不同介质的动态参数和剪切频率范围,非牛顿介质润滑的承载力并非总高于或低于牛顿介质;在动载荷条件下,第一正应力差效应使油膜压力明显增大;影响流量因子的2个因素为表面形貌的粗糙度和纹理,但其作用远小于非牛顿介质流变特性的影响.     

渐开线齿轮传动非牛顿润滑介质的线弹流数值分析研究

采用适合各种流变模型的广义Reynolds方程，通过数值联立求解非牛顿介质的线弹流润滑基本方程组，获得了渐开线齿轮啮合过程的油膜压力、膜厚、表面剪应力分布，并分析了啮合过程中非牛顿效应对齿轮传动最小油膜厚度的影响。在数值计算方向引入延拓方法，使表面煎应力迭代具有大范围收敛性。     

一类多体系统非完整运动最优规划的拟牛顿算法

研究带有非完整约束的一类多体系统运动规划问题。多体系统中的非完整约束通常是由不可积的速度约束或不可积的守恒律引起。在系统动量和动量矩守恒情况下,动力学方程降阶为非完整形式约束方程,系统的控制问题可转化为无漂移系统的非完整运动规划问题。文中首先导出具有多体开链系统的非完整运动模型。利用最优控制理论和最优化技术,采用输入参数化的方法将连续的最优控制问题转化为离散的最优控制问题,提出一种非完整多体系统运动规划的拟牛顿算法。最后将该方法用于自由漂浮的空间三连杆机构,仿真结果验证了该方法的有效性。     

润滑力学中非牛顿流动的普遍Reynolds方程

本文导出了润滑力学中关于非牛顿流动的普遍 Reynolds 方程。这一方程适用于多种非牛顿流动模型,可以用于解算热流体动力润滑或热弹性流体动力润滑膜的压力分布。本文给出了一种同时求出剪应力、剪切率、速度和等效粘度的解法,并以两种润滑力学中常用的流变模型为例,应用这一方程得到了线接触热弹性流体动力润滑问题的数值解。     

非牛顿重载滚滑工况有限长线接触热弹流研究

在流速主矢量方向使用Eyring流变模型,用多重网格法求出接触压力高达1.04 GPa的相交圆弧修形滚子的热弹流完全数值解.研究表明:随着Eyring流体非牛顿效应的增强,有限长线接触弹流二次压力峰的高度明显降低,每次工作循环中摩擦副受第二次高压的强度减小;热效应显著减弱,有助于防止由热效应导致的各种形式的失效;最小油膜厚度略有增加,有利于润滑膜的形成.因此,使用Eyring非牛顿流体有利于延长线接触副的寿命.与此同时,使用Eyring非牛顿流体时,非牛顿效应对滚子端部的压力分布影响很小,因此Eyring非牛顿效应对有限长摩擦副的凸度设计无明显影响.     

非牛顿流体两相渗流问题的摄动解

本文用奇异摄动法结合正则摄动法求解了考虑毛管力因素时多孔介质中弱非牛顿流体的两相驱替问题,得到了分流函数和湿相饱和度的渐近解析解。所得结果同数值解和经典的牛顿流体两相渗流结果进行了比较,并着重讨论了非牛顿因素的影响。     

摆动河槽水动力稳定性特征分析

河流形态与水动力结构息息相关,形态约束水动力结构,水动力结构则通过泥沙运动进一步塑造形态,在自然界河流中形成一对辩证互馈关系.天然河流形态形式多样,大致可以分为顺直、微弯、分叉和散乱游荡几种类型,其中微弯及多个弯曲构成的河型为河流动力演化中最重要的一环.多个弯曲构成的河型可用正弦派生曲线来描述,它也是天然河流主槽与水动力结构复杂相互作用的结果.作为探讨这一过程的力学作用机理,构建摆动槽道并研究槽道摆动与其内部流动结构的互馈关系,既是流体力学研究的热点内容,也是目前河流动力过程研究的基础内容.在此重点讨论这一互馈关系前一部分,即水流对摆动边界的响应.文中建立了随体坐标系下摆动河槽与内部水流动力响应理论模型,通过给定摆动弯曲槽道的不同特征参数,研究讨论了正弦派生型摆动边界下的槽道水流动力稳定性特征,明确了弯曲槽道摆动对其内部主流及扰动水流结构的影响,确定弯曲槽道摆动波数、摆动频率对扰动流发展影响的相应参数定量关系,得到了槽道弯曲度和摆动特征对其内部水流不同尺度扰动影响的阈值选择性范围.     

矩形液池内热毛细对流的流动不稳定性

热毛细对流及其不稳定性是微重力流体科学研究的重要内容. 对该问题的研究不仅有利于人们对微重力环境下流体行为、对流不稳定性和湍流转捩过程等基础物理现象的进一步认识,而且也将促进晶体生长、薄膜制备等空间和地面高新技术的发展. 实验研究了矩形液池中浅液层在水平温度梯度作用下产生的热毛细对流及其稳定性. 实验中,成功地利用PIV (particle image velocimetry) 技术对1mm2/s 硅油液层内的浮力热毛细对流流场结构进行了大量观测. 结果表明,液层中的流场结构经历了多种状态的转变,该过程会受到液层厚度的影响. 当液层厚度较小时,比如当d=2:8mm 时,随着液池两端温差的增大,液层中的流场结构会经历单胞对流到双胞对流再到多胞对流的转变,到达多胞对流状态之后,继续增大温差,对流涡胞的数量会有所减少,而当温差进一步增大到一定程度以后,整个液层转变为三维非定常流动;当液层厚度较大时,比如当d=4:5mm 时,随着温差的增大,流动模式的转变主要体现在水平截面流场截面上面,当温差增大到一定程度以后,在靠近高温端的附近区域会出现具有明显三维效应的"梭形结构",该梭形结构的尺寸随着温差的增大而增长,并在温差超过某个临界值时失去对称性,整个液层转变为三维非定常流动.     

明渠中跌坎后突扩分离流数值研究

利用大涡模拟技术，对明渠中跌坎后的二维突扩分离流结构进行了数值模拟，探讨了这类典型分离流各特征区的流动性质，分析了再附区壁面上不同测点处脉动压力的统计特征，并与试验结果进行了比较．在数值模拟中，采用了弱压缩流的控制方程和非均匀网格系统．     

STUDY OF NON-SUBMERGED GROIN TURBULENCE FLOW IN A SHALLOW OPEN CHANNEL BYLES

采用动态亚格子模式和浸没边界法,对宽浅槽道中的丁坝群绕流的水动力学特性进行了三维大涡模拟研究. 利用丁坝绕流,试验中采用粒子图像测速仪(particle image velocimetry, PIV)测量的试验中自由水面处的时间平均流速和湍动强度数据对模型进行率定,结果表明计算结果与试验数据吻合良好. 丁坝长度与丁坝之间距离的比值L/D对丁坝周围的水流流动形式、湍流强度、涡量分布有显著影响. 在L保持不变并且L/D较大时,丁坝之间的距离D较小,这限制了混合层的发展,因此混合层中的湍动强度和涡量都较小;同时丁坝之间的回流区的流线形式也发生明显变化. 此外,还给出了涡体在丁坝坝头附近产生,发展并向下游输运的动态过程.     

应用耗散结构理论研究两相流动不稳定性的探讨

本文论证指出:两相流动动力学不稳定性是一种耗散结构。这一结论将非线性非平衡态热力学引入了两相流动不稳定性研究之中,从而阐明了不稳定性发生的原因和机理,并且找到了两相流动不稳定性的直接判据——超熵(1/2δ~2s)(它是非线性非平衡系统的Lyapounov函数)。本文得出了线性非平衡区的判别式和非线性区的一些初步结果,并阐述了在实际应用中对两相流动不稳定性进行判别的具体步骤及本文方法的优越性。     

溶质在作圆管层流的非牛顿流体中的分散及外围层效应

本文考察溶质在作圆管层流的偶应力两层流体中的分散规律,重点考察外围层效应和偶应力效应,利用TayLor简化假定,在一定边界条件下,导出相对浓度分布和等效扩散系数的解析式,并作数值计算。分析外围层诸因素ε、δ和(?),以及偶应力参数(?)和(?)的效应,单层偶应力流体和两层牛顿流体中的分散可视为本文的特殊情形,此外,本文还改正文[6]中的错误。     

坡面流运动方程和有支流入汇时的一维明渠流方程形式

从带源项的圣维南方程出发,根据坡面流特点,分析给出了坡面水流运动方程的基本形式,通过基本的力学分析,指出了通常应用于有支流放汇时的一维明渠流方程存在的问题,并得到了新的方程形式。     

LINEAR INSTABILITY OF THE ANNULAR HAGEN-POISEUILLE FLOW WITH SMALL INNER RADIUS BY A CHEBYSHEV PSEUDOSPECTRAL METHOD

Abstract

A new eigenvalue search procedure using the Chebyshev pseudospectral technique has been developed for the solution of the Orr-Sommerfeld equations. It can deal accurately and flexibly with various velocity profiles. The axisymmetric linear instability characteristics oflhe annular Hagen-Poiseuille Bow have been studied with this procedure. Neutral curves were obtained for 1 > R = R₁/R₀ > 0.06 where R_l is the inner radius and R₀ is the outer radius. When R = 1 which is the plane Poiseuille flow, the corresponding critical Reynolds number is 5772.22 α_r; = 1.0209. As R decreases to 0.06, the critical Reynolds number increases to 2.6 × 10₆ and the wave speed decreases to 0.0573. The wavenumber first decreases gradually from a, = 1.0209 at R = 1.0 to α _r, = 0.90 at R = 0.3. and then it increases rapidly to α _r, = 1.73 at R = 0.06.     

大涡模拟研究展向旋转槽道湍流流动

本文用大涡模拟预测了以不同转速做展向旋转的槽道湍流流动,统计平均的流向速度型在壁面附近与已有实验数据符合很好,在通道中部的预测差异也能给出合理解释,对比不同转速的计算结果,表明展向旋转通道的湍流应力和壁面摩擦力在压力面附近提高、在吸力面附近降低,这些高阶湍流统计量的变化规律可以结合湍流应力输运方程加以解释,漩涡识别技术显示了近壁条带结构,其形态和猝发率受旋转附加力的影响发生改变,进而影响壁面摩擦速度的数值和分布,进一步考察垂直流动方向的截面内速度分布,发现旋转引起了垂直壁面方向的流动,形成正负相间排列的流向涡对,并随着转速的增加向压力面靠近。